Kantava elektroonika pingeandur ühendab kõrge tundlikkuse suure tundlikkusega

Pehmed ja venivad deformatsiooniandurid on hindamatu väärtusega kasutamiseks kantavas elektroonikas, nagu liikumisjälgimisseadmed ja füsioloogilised seiresüsteemid. Praegu on aga tundlikkuse ja tundlikkuse vahemiku vaheline kompromiss suur väljakutse. Väiksemaid deformatsioone tuvastada suutelisi deformatsiooniandureid ei saa väga kaugele venitada, samas kui need, mida saab venitada suuremaks, ei ole tavaliselt eriti tundlikud.

Inimese füsioloogia ja liikumise jälgimisel on naha pinge vahemikus alla 1% kuni üle 50%. Sellisena kasutatakse tavaliselt eraldi andureid, et tuvastada peent pinget (nt need, mis on seotud verepulsi ja hingamisega) ja suuri pingeid (nt kehaosade paindumine). Kuid teatud haiguste jälgimiseks tuleks eelistada ühe seadme kasutamist. Näiteks Parkinsoni tõve korral peavad andurid olema piisavalt tundlikud, et jälgida väikseid värinaid, säilitades samas piisavalt suure ulatuse, et mõõta liigeste liikumist.

Tegelikult on vaja ühte andurit, mida saab kinnitada erinevatele kehaosadele ja mis suudab täpselt mõõta kõiki inimese naha pingeid. Seda eesmärki silmas pidades, meeskond aadressil Põhja-Carolina osariigi ülikool on välja töötanud pehme venitatava takistusliku deformatsioonianduri, mis pakub suurt tundlikkust, suurt tundlikkust ja suurt vastupidavust.

"Meie välja töötatud uus andur on tundlik ja suudab taluda märkimisväärset deformatsiooni," selgitab vastav autor Yong Zhu pressiteates. "Täiendav funktsioon on see, et andur on väga vastupidav isegi ülepinge korral, mis tähendab, et see ei purune tõenäoliselt, kui rakendatud pinge kogemata ületab tundlikkuse vahemiku."

Andur, mida on kirjeldatud punktis ACSi rakendatud materjalid ja liidesed, mõõdab pinget, mõõtes elektritakistuse muutusi. Seade on valmistatud hõbedasest nanotraatvõrgust, mis on põimitud elastsesse polü(dimetüülsiloksaani) polümeeri, mille pealispinnal on mitmed mehaanilised lõiked, mis vahelduvad mõlemalt poolt.

Kui andur on venitatud, tõmbuvad lõiked lahti. See sunnib elektrisignaali üle minema ühtlaselt voolult läbi suletud pragude edasi liikuma mööda avatud pragude poolt määratletud siksakilist juhtivust. Seega suureneb vastupidavus rakendatud pinge all. Lõigete avanemine võimaldab seadmel vastu pidada ka olulisele deformatsioonile ilma murdepunktini jõudmata. "See funktsioon - mustrilised lõiked - on see, mis võimaldab suuremat deformatsioonivahemikku tundlikkust ohverdamata," ütleb esimene autor. Shuang Wu.

Meeskond tegi katseid ja lõplike elementide analüüsi, et hinnata pilu sügavuse, pikkuse ja sammu mõju anduri jõudlusele. Optimeeritud seadmel oli suur mõõtefaktor (elektritakistuse suhtelise muutuse ja mehaanilise deformatsiooni suhe) 290.1, tundlikkusvahemikuga üle 22%. Samuti oli see vastupidav ülepingele ja 1000 korduvale laadimistsüklile.

Seadmete ehitus

Et demonstreerida oma uue pingeanduri võimalikke rakendusi, integreerisid Zhu, Wu ja kolleegid selle kantavatesse terviseseiresüsteemidesse, mis mõõdavad tohutult erinevaid liikumistasemeid.

Esiteks kasutasid nad andurit vererõhu jälgimiseks, mis nõuab äärmiselt suurt tundlikkust. Anduri kinnitamiseks kummipaela abil panid nad selle vabatahtliku randmele, et tuvastada pulsilaine – üks väiksemaid pingesignaale inimese nahal.

Kui veri veeni läbi pumpab, jäävad anduri otsad lindiga paigale, samal ajal kui keskosa on venitatud, avades selle pealispinnal olevad praod.

Teadlased näitasid, et see seade suudab tabada randme radiaalarteri pulsilaine. Asetades teise pingeanduri õlavarrearterile kõrgemale käele ja salvestades samaaegselt teise pulsilaine, saaksid nad mõõta pulsilaine keskmist kiirust, võimaldades arvutada vererõhku.

Järgmises näites kasutati andurit alaselja suurte pingete jälgimiseks liikumise ajal, mis on kasulik füsioteraapia jaoks. Siin integreerisid teadlased anduri venitatava spordilindiga ja kinnitasid kaks andurit paralleelselt piki selgroogu vabatahtliku alaseljale. Nad kinnitasid ka Bluetooth-plaadi tagaküljele, et koguda ja edastada sensorsignaale.

Alustades sirgest istuvast asendist, sooritas katsealune mitmeid liigutusi, samal ajal kui andur jälgis alaselja pingeid. Ettepoole kallutades reageerisid mõlemad andurid takistuse suurenemisega. Ette kallutades ja külili kallutades jäi vastava külje anduri takistus peaaegu konstantseks, samas kui vastaskülje andur näitas oluliselt suurenenud takistust.

Venitav orgaaniline fotodiood võib parandada kantavate seadmete jõudlust

Lõpuks, et demonstreerida anduri kasutamist inimese ja masina liidestes, lõid teadlased pehme 3D puutetundliku anduri, mis jälgib nii tavalisi kui ka nihkepingeid ja mida saab kasutada videomängu juhtimiseks. Samuti integreerisid nad kinda sõrmeotsa pingeanduri, mida kasutati seejärel veeklaasi haaramiseks, näidates selle potentsiaali puutetundlikuks tuvastamiseks robootikarakendustes.

Meeskond uurib nüüd pingeanduri kasutamist biomeditsiiniliste ja spordirakenduste jaoks. "Biomeditsiinilised rakendused hõlmavad liikumismustrite jälgimist insuldihaigete taastusravi ajal, " räägib Zhu Füüsika maailm. "Tegeleme ka andurite skaleeritava tootmisega."

• SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
• Platoblockchain. Web3 metaversiooni intelligentsus. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
• Allikas: https://physicsworld.com/a/strain-sensor-for-wearable-electronics-combines-high-sensitivity-with-large-sensing-range/